Magnetfeldsensor

Anwendungsspezifische Hall-Effekt-ICs in der Weg- und Winkelmessung, Antriebstechnik, Strommessung

22.04.2010 | Autor / Redakteur: Andreas Ring* / Gerd Kucera

Technologische Fortschritte etwa durch vertikale Hall-Platten erlauben die Herstellung von Direktwinkel-Sensoren in 2-D und 3-D
Technologische Fortschritte etwa durch vertikale Hall-Platten erlauben die Herstellung von Direktwinkel-Sensoren in 2-D und 3-D

Für magnetfeldbasierte Sensorlösungen gibt es auf dem Markt zahlreiche vorkonfektionierte Module, von denen viele in Bauform, Leistungsumfang und Preis der Anforderung genügen. Doch mitunter erfüllen nicht alle Parameter die Spezifikation. Wie dieser Beitrag zeigt, ist die individuelle Auslegung sehr einfach, weil die Module mancher Anbieter nur aus einem Dauermagneten und dem eigentlichen Hall-Sensor bestehen.

In den 90er Jahren wurde die Integration magnetfeldsensitiver Elemente in Standard-CMOS-Technologie möglich. So gerüstet traten die Hall-Sensoren ihren Siegeszug an. Neuere Entwicklungen im Bereich der Halbleitertechnologie führten zur stetigen Verbesserung der Sensor-Eigenschaften, wodurch sich ihre Einsatzbereiche in gleichem Maße erweiterten. Sie werden in großen Stückzahlen zur Erfassung von Bewegung, Position oder abgeleiteten physikalischen Größen wie Druck, Kraft oder Stromstärke in der Automobilbranche eingesetzt und sind hier ein unverzichtbarer Bestandteil bei der Messdatenerfassung und Regelung in den Bereichen Sicherheit, Verbrauchsminimierung und Komfort.

Hall-Sensoren erobern neues Terrain

Immer häufiger werden Hall-Sensoren nun auch in Industrieelektronik, Gebäudetechnik, Haushalt und Medizintechnik eingesetzt. Bisher realisierte Anwendungen sind beispielsweise automatische Rolltore und Jalousien, Durchflussmesser, Luft-/Gasdruck-Module, Klappenregelungen oder auch Module zur Neigungswinkelerkennung. Selbst die berührungslose Messung von Stromstärken bis zu mehreren hundert Ampere lässt sich mit wenig Aufwand verwirklichen. Im medizinischen Bereich kommen Hall-Sensoren als Abstandswarner in Labor-Messgeräten zum Einsatz, die in der Nähe von Magnet-Resonanz-Tomografen betrieben werden. Um Fehlfunktionen, zu vermeiden warnt das Messgerät selbsttätig, sobald eine bestimmte Magnetfeldstärke überschritten wird.

Prognostizierter weltweiter Umsatz auf dem Gesamtmarkt für Hall-Effekt-Sensoren bis 2012
Prognostizierter weltweiter Umsatz auf dem Gesamtmarkt für Hall-Effekt-Sensoren bis 2012

Die Micronas-Gruppe mit ihrem operativen Sitz in Freiburg im Breisgau fokussiert ihr Produktportfolio auf das Gebiet der integrierten Hall-Effekt-Sensoren. Als Anbieter führender Halbleiter-Lösungen aus Deutschland konzentriert sich Micronas auf kostengünstige Lösungen, die höchsten Qualitätsansprüchen genügen.

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Hall-Effekt-Sensoren bewähren sich in der Industrie

Funktionsweise des digitalen Hall-Effekt-Schalters

Die Hall-Schalter sind mit vordefinierten magnetfeldabhängigen Schaltschwellen erhältlich und lassen so dem Anwender die nahezu freie Auswahl an Magnetmaterialien beim Einsatz unter unterschiedlich starken Magnetfeldern. Um eine Vielzahl von Anwendungsgebieten abdecken zu können, sind die Hall-Schalter-Familien HAL 1xy / HAL 2xy / HAL 5xy im Temperaturbereich von –40 bis u 170 °C erhältlich.

Digitale Hall-Schalter reagieren je nach Typ entweder auf einen bestimmten Magnetpol (unipolar switch) oder auf beide magnetischen Pole (bipolar). Die Funktionsweise ist denkbar einfach. Beispiel: Der Südpol des Magneten führt bei Annäherung an die Oberseite des Hall-Schalters zu einem TTL-Low-Pegel am Ausgangspin. Ein fehlender Pol oder die Annäherung des Nordpols resultiert hingegen in einem High-Pegel. Die Höhe dieses High-Pegels kann mittels Pull-up-Widerstand am Ausgangspin auf TTL-Pegel oder aber auch auf anwendungsspezifische Spannungspegel eingestellt werden.

Das breite Sortiment an Hall-Schaltern erlaubt die Adaption an nahezu alle Schaltanwendungen: Überwachung von Schließvorgängen, Endpositionserkennung, Zwei- und Mehrlagendetektion, Niveau-Überwachung von Flüssigkeiten, Mengen- oder Durchflusszähler. Dies alles lässt sich auf einfache Weise mit Hilfe von Hall-Sensoren realisieren.

Mit einem auf einer Welle angebrachten, sektorenförmig magnetisierten Rund- bzw. Ringmagneten lassen sich neben Positionen auch Drehbewegungen kontrollieren und steuern. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren macht man sich dieses Prinzip zunutze und bestimmt mit Hilfe von digitalen Hall-Schaltern den Umschaltzeitpunkt der Kommutierung. In PC-Lüftern ist dies bereits seit langer Zeit Stand der Technik. Die Vorteile von bürstenlosen Motoren bei Einsatz von Hall-Sensoren liegen auf der Hand: kein Verschleiß, kein parasitärer Spannungsabfall und damit ein höherer Wirkungsgrad, längere Lebensdauer und letztendlich zufriedenere Kunden.

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